A
ll’origine della diffusione del cemen-to, è il ruolo di sostitutivo più resisten-te, duttile, economico e standardizza-bile della pietra. Alla fine degli anni ‘80, la dispo-nibilità di miscele a comportamenti ultraresistenti e pluriprestazionali – gli Ultra High Performance Concrete (UHPC) e gli Ultra High Performance Fi-bre Reinforced Concrete (UHPFRC) – ha posto le condizioni per ripotenziare l’uso del conglomerato in settori non tradizionali e non strettamente legati alle strutture portanti. La disponibilità tecnologica ha aperto a poetiche progettuali non standard e a quanto Frédéric Migayrou (2004) e le neoavan-guardie di fine ‘900 preannunciavano: mutazioni di forme che richiamano quelle naturali per un’ar-chitettura evolutiva e dinamica, superando la stret-ta sstret-tandardizzazione industriale in base alla poten-zialità di algoritmi generativi.L’emersione di nuovi compound che permetto-no esecuzioni senza armature o con minimi rinforzi in fibra – come Ductal (Lafarge), SMART-UP (Vi-cat) e BSI (Eiffage) – ha aperto negli ultimi venti anni a modi sperimentali che presentano affinità con il periodo di diffusa innovazione del cemento armato, fra anni ‘30 e anni ‘40. L’interazione con il ‘saper fare’ della cultura materiale, l’innovazione tecnologica e formale avevano caratterizzato il progetto di opere di altissima qualità in una nuova definizione del rapporto fra l’economia e la regola (Iori and Poretti, 2012). Questa prospettiva del mo-derno si basava sull’atteggiamento sperimentale, la conoscenza tecnico-esecutiva e la capacità creativa oltre la scienza delle costruzioni classica, ponendo al centro la costruzione del modello. È il caso del-l’innovazione legata alle volte sottili armate, se-condo un approccio insieme morfologico e plasti-co, come nella grande copertura di Eduardo Tor-roja nel Frontón Recoletos di Madrid (1935) o nel-la pensilina di Aldo Favini nelnel-la Stazione di Servi-zio Aquila a Sesto San Giovanni (1949).
I conglomerati ad altissime prestazioni induco-no di nuovo a processi a serie personalizzabile. Già all’inizio degli anni 2000 nel dibattito internazio-nale si è evidenziata la pluralità applicativa non espressa degli UHPC (Fehling, Bunje and Leutbe-cher, 2004). L’approccio metodologico della ricer-ca fa riferimento alla prospettiva di protocolli di ot-timizzazione esecutiva e affidabilistica, con il con-trollo dell’estetica della superficie e del comporta-mento resistivo in relazione alle condizioni am-bientali. A partire dal processo sperimentale di AbstrAct
L’attuale disponibilità di miscele cementizie UHPc (Ul-tra High Performance concrete), con comportamenti adattivi e pluriprestazionali, muta il concetto stesso di ‘materia’, permettendo forme e disegno complesso, po-tenziando l’uso del conglomerato in altri settori, aprendo a nuove poetiche progettuali secondo il concetto di ‘non standard’ in processi di produzione neoartigianale avan-zata. si analizza come i risultati della ricerca tecnologica sui compound cementizi abbia messo a disposizione una tipologia di miscele che permettono di estendere il pro-cesso creativo e di produzione ‘on demand’ per elementi autoportanti di urban furniture e public art. sono deli-neati risultati e prospettive delle filiere, in termini di pre-stazioni, adeguamento normativo, costi, costruzione di network e di un nuovo mercato.
The current availability of UHPC (Ultra High Perfor-mance Concrete) concrete mixes with an adaptive and multi-performance behaviour has transformed the con-cept of ‘matter’ itself, allowing the construction of com-plex shapes and designs, and boosting the use of the compound in different sectors, thus opening new design paths following the concept of ‘non-standard’ in ad-vanced neo-handicraft production processes. The results of technology research on the concrete compounds are analysed in terms of how they have offered a type of mix that allows an expansion of the creative and ‘on-de-mand’ manufacturing process for self-supporting urban furniture and public art elements. The results and out-look of the supply chains are outlined in terms of perfor-mance, adjustment to standards, costs, network-build-ing, and new market.
Keywords
innovazione processo, compound, UHPc, multipresta-zionalità, progetto creativo
process innovation, compound, UHPC, multi-purpose, creative design
‘projet and construction management’ condotto per le prime opere italiane di arte pubblica in UHPC (Parco Peccei, Torino, 2015), si delineano le poten-zialità di sviluppo. In particolare nel campo del-l’urban design, si analizzano i termini di sviluppo tecnologico, capacità di offerta di prodotti, garan-zie della qualità prestazionale e innovazione di processo per un mercato sostenibile, definibile del ‘neoartigianato Made in Italy’.
Multiprestazionalità – Gli UHPC si connotano per
l’alto contenuto di cemento (da 500 a 700 kg/m3
nelle miscele di ultima generazione), il basso rap-porto acqua-cemento, la granulometria ultrafine (indicativamente inerti microfini, in frazioni varia-bili di 2-20 μm e aggiunta di micro-nanosilici sin-tetiche amorfe in frazioni variabili di 0,2-4 μm) con l’eventuale presenza di fibre poliviniliche (PVA), inorganiche o metalliche ad alto tenore di carbonio (attorno all’1,0%). Negli UHPC di ultima generazione la resistenza a compressione (120-160 MPa) diminuisce, inoltre, in funzione dell’aumen-to della resistenza a flessione e del modulo elastico (> 80 GPa), contenendo le deformazioni, attraver-so la produzione di un pre-stress interno omoge-neamente diffuso (Corinaldesi, 2016). La National Precast Concrete Association (2014) considera il raggiungimento di resistenze alla compressione fi-no a 200 MPa con rinforzi in fibre ad alto tefi-nore di carbonio e 117 MPa con PVA, resistenza a flessio-ne fino a 20 MPa, per cui flessio-nelle applicazioni di ele-menti architettonici e di design la presenza del rinforzo in fibra è eliminata o minimizzata. La cor-retta dosatura e il comportamento micromeccanico permettono l’ottenimento anche di resistenza a tra-zione, con elevati valori di deformazione e verifica a taglio-punzonamento.
La vita utile è molto più elevata, in considera-zione dell’assenza di patologie legate al copriferro con attacco corrosivo, delaminazione e fessurazio-ne. Prestazioni significative in termini di sostenibi-lità ed eco-efficienza sono, inoltre, in relazione alla riduzione del consumo di materie prime e risorse energetiche nella produzione. (Harris, 2010). La scala nanometrica degli inerti consente il maggior legame delle particelle nel rapporto superficie-vo-lume, minimizzando i vuoti e la permeabilità, ma al contrario il comportamento al ritiro e alla defor-mazione viscosa (creep) e il ritiro plastico alle bre-vi stagionature tendono ad accrescersi (Quiroga and Fowler, 2004) e devono essere controllati in
ISSN: 2464-9309 (print) - ISSN: 2532-683X (online) - DOI: 10.19229/2464-9309/5172019
Rossella Maspoli
aCEMENTO AD ALTE PRESTAZIONI
INNOVAZIONE E FILIERA
PER LA PUBLIC ART E L’ARREDO URBANO
HIGH-PERFORMANCE CONCRETE
INNOVATION AND SUPPLY CHAIN
funzione di additivanti ed elasticità delle cassefor-me. Negli interventi legati a elementi perimetrali d’involucro e di urban forniture è, quindi, essenzia-le l’impiego di superfluidificanti e anti-ritiro.
caratterizzazioni di esecuzione – Fase essenziale è
l’esecuzione del getto, il calore di idratazione del cemento deve essere mantenuto il più basso possi-bile con il controllo del dosaggio degli additivi, dell’acqua e degli eventuali pigmenti, al fine di prevenire disomogeneità e insorgenza di tensioni e fessurazioni termiche. L’adozione di superfluidifi-canti permette di regolare l’aderenza e l’adattabi-lità di casseforme anche a disegno complesso, mentre il trattamento preparatorio degli stampi – eseguiti in polistirolo, polistirene, lattice – nei test effettuati (Fig. 1) è risultato essenziale per ottenere una superficie uniforme nel colore e nella grana1. Il
controllo della stagionatura umida rapida e dell’a-derenza delle matrici nella scasseratura evitano fe-nomeni di risalita in superficie dell’acqua di misce-la durante misce-la compattazione e misce-la formazione di ve-spai localizzati superficiali. Inoltre, essenziale è il controllo delle procedure di confezionamento e trasporto, in quanto la contaminazione superficiale può avvenire attraverso l’esposizione all’acqua in
una singola area dell’elemento finito, causando macchie durante il processo di polimerizzazione (Henry and Heaney, 2017). Emerge il ruolo ancora essenziale dell’expertise esecutivo, complementa-re alla ricerca tecnologica.
Aspetto e affidabilità – Altra potenzialità di
miglio-ramento dell’affidabilità degli elementi in esterno è data dall’aggiunta di strati protettivi superficiali, fra cui rivestimenti composti da leganti con cariche metalliche frantumate, che rallentano ulteriormen-te la penetrazione degli agenti aggressivi. I proulteriormen-tet- protet-tivi anticarbonatazione, antifessure, antimaccchia e antigraffiti applicati, invece, post-posa richiedo-no in genere cicli ripetuti, inferiori ai 10 anni, com-portando interventi manutentivi sovente non pro-grammati. I protettivi sperimentati sono di due tipi: impermeabilizzanti ad assorbimento, per la prote-zione di superfici soggette ad usura, senza altera-zione estetica del conglomerato; filmogeni con ef-fetto alterante (lucido) dell’aspetto superficiale del materiale. Si è sottolineato (Henry and Heaney, 2017; Bader, Waldner, Unterberger and Lacknerab, 2019) che a causa della bassa profondità di pene-trazione per la bassa permeabilità di UHPC e HPC il comportamento nel tempo non differisce sostan-zialmente, permettendo l’estrazione di costituenti calcio solubili dalla pasta di cemento indurita, che impedisce la deposizione di efflorescenze e i cam-biamenti di colore in presenza di pigmenti. In rela-zione all’ottimizzarela-zione del ciclo di vita ambienta-le, è significativa l’applicazione di uno strato foto-catalitico a base di biossido di titanio, con proprietà autopulente e di abbattimento degli inquinanti (UNI 11247:2010).
L’elemento faccia a vista è, principalmente, strumento di comunicazione in termini percettivi, visivi e tattili, la finitura è operazione essenziale per l’aspetto, attraverso levigatura a secco e deca-paggio della superficie per l’eliminazione di mac-chie, graffi, minimi dislivelli residui (Fig. 2). Nel tempo, i prodotti in UHPC tendono ad assumere un aspetto non identificabile rispetto al materiale lapi-deo, richiamando la storica visione di Nicholas Ne-groponte (1995) sulla futura invisibilità delle diffe-renze fra naturale e artificiale. L’invecchiamento è paragonabile a quello del materiale lapideo di ele-vata durezza e compattezza, fino all’assimilazione a un contesto naturalistico.
Nel monitoraggio in corso su elementi di pu-blic art e urban design – eseguiti con cementi tradi-zionali, con o senza protettivo, e UHPC – in 4 anni si è evidenziato per gli UHPC un comportamento di sporcatura locale dovuta all’azione di agenti at-mosferici e inquinanti che in prevalenza si elimina con processi di autopulitura, e limitata formazione di patine (Figg. 3, 4). Le patine di invecchiamento presentano lievi alterazioni cromatiche e areali, senza formazione di efflorescenze e rotture super-ficiali. A confronto, gli elementi in cemento tradi-zionale hanno più rapida formazione di macchie e alterazioni cromatiche, con minor resistenza all’a-brasione e all’urto2. Nel caso dei coloranti
applica-ti in pasta, le prestazioni di resistenza a UV e stabi-lità sono differenziate, la decolorazione causata dall’azione dei raggi ultravioletti e dalla carbonata-zione superficiale emerge come limitata alla pre-senza di pigmenti scuri, in particolare nero e rosso, a base di ossidi di ferro (Figg. 5-11). La criticità maggiore riscontrata riguarda la presenza di graffi-ti dovugraffi-ti al vandalismo, che richiedono
l’asporta-zione. La bassissima porosità agevola, comunque, la rimozione con sistemi meccanici a granulato – adottabili in assenza di elevate complessità di dise-gno – o con idropulitura ad alta pressione, mini-mizzando la perdita di strato superficiale.
La presente ricerca contribuisce alla letteratura che attualmente non presenta studi significativi su comportamento nel tempo e trattamento degli ele-menti in esterno nello spazio pubblico, che avreb-bero un ruolo rilevante in termini di analisi affida-bilistica per orientare le strategie di mercato.
Potenzialità innovative di prodotto e di processo –
I mix-design cementizi innovativi attraverso pro-cessi di prefabbricazione di alta qualità permettono di sviluppare processi creativi e di produzione cu-stomer-oriented. Le applicazioni riguardano pan-nelli di rivestimento dell’involucro e di partizione – piani come tridimensionali e reticolari – elementi autoportanti di urban design (sedute, tavoli, dissua-sori, barriere, ecc.) e public art. Le realizzazioni si connotano con l’ottimizzazione della forma attra-verso i sistemi scanner 3shape e software Cad/ Cam, applicati alla definizione di alto dettaglio di matrici che devono permettere altissima precisione di esecuzione. Lo studio ha riguardato, quindi, il confronto fra i principali mix-design di UHPC e le filiere di progetto e produzione presenti sul merca-to internazionale.
Ductal, brevettato nel 1994 da Lafarge, è carat-terizzato da una continua ricerca di componenti minerali naturali finissimi e fibre non metalliche, per diminuire la quantità di cemento rispetto agli UHPC di prima generazione. Le potenzialità sono in relazione alle elevate caratteristiche meccani-che, alla resistenza all’abrasione superiore a mate-riali quali il granito, alla bassissima permeabilità agli agenti aggressivi (acqua, polveri sottili e in-quinanti aerei) e all’elevata duttilità nell’eventuale comportamento postfessurativo. Il ‘molecolar con-crete’ è alla base della catena italiana di fornitura-produzione nel campo dell’urban design di Metal-co, con la produzione di elementi a profilo aperto o chiuso a sezione sottile, come la panca AIR di spessore 25 mm (Fig. 12). L’efficacia ed efficienza del processo si basano sull’interazione fra ricerca e produzione, con l’internalizzazione dell’intero ci-clo tecnologico da mix design a urban design: pro-duzione degli stampi, test dei componenti, engi-neering, getto e rifinitura. L’azienda ha promosso anche lo sviluppo di Untratense Concrete, un mix design definibile altamente duttile e ad alto scorri-mento, che facilita l’esecuzione e permette l’ag-giunta di pigmenti lapidei (Fig. 13).
I.design EFFIX di Italcementi-Ciment Calcia è, invece, una malta a elevate prestazioni meccani-che e estetimeccani-che confrontabile agli UHPC, additiva-ta con fibre di vetro resistenti agli alcali. La filoso-fia di filiera si basa sulla facilità di utilizzo: il com-posto è premiscelato a secco con additivi e inerti, necessitando della sola aggiunta di acqua. Lo svi-luppo di mercato ha riguardato prototipi di serializ-zazione personalizzata per arredi esterni, come nel caso della collezione di tavoli e sedie Parabola di Mac Stopa, per Italcementi/Archiform.
Buzzi Unicem-Dyckerhoff ha sviluppato, dif-ferentemente, due composti con rilevanti potenzia-lità di riverberazione dalle applicazioni industriali attuali a quelle architettoniche. Flowstone è un le-gante ad altissime prestazioni in cemento Portland EN 197-1 (con inerti di fuso granulometrico ≤ 0,5 Figg. 1, 2 - Flowstone, UHPc, public art: Priming and
preparation of the mould; Formwork surface unfinished (credits: r. Maspoli, 2015).
mm) che richiede al prefabbricatore l’additivazio-ne controllata di fluidificanti, disareanti, autocom-pattanti e acqua. Nanodur è un cemento UHPC senza aggiunta di silice, la cui formulazione ha consentito di sperimentazione elementi portanti ul-trasottili con il rinforzo dell’l,1% del volume in mi-crofibre – raggiungendo un valore di 150 MPa di resistenza a compressione (Möllmann, 2011) – e le cui proprietà sono accresciute con l’adozione di un aggregato (Durigid) in minerale sintetico (Ma-spoli, 2016). Oltre al supporto di fornitura e tecni-co-logistico, il produttore valuta le potenzialità di sviluppo di una catena di architectural pre-cast es-senzialmente sul mercato tedesco, più avanzato di quello italiano.3
Quantz, prodotto su brevetto da G.tecz, si con-nota per l’ottimizzazione eco-sostenibile, con la configurazione della miscela UHPC basata anche su materie prime locali, con costi e emissioni di in-quinanti ridotte, pur raggiungendo valori di resi-stenza a compressione (175 MPa) propri della clas-se. Il modello di filiera – nella più recente esperien-za italiana di The Italian Lab Uhpc – è finalizesperien-zato a produrre sia sistemi di rivestimento che arredi,
ol-tre che strutture tecniche industriali. La produzione prevede, in funzione delle casseforme adottate, una versatilità sia cromatica sia di configurazioni di forma, sottigliezza, snellezza – fino allo spessore limite dichiarato di 20 mm – e una finitura superfi-ciale nel compound con prestazioni autopulenti. Slimconcrete, UHPC progettato da Escofet 1886, è un altro caso di ricerca e trasferimento tec-nologico, in collaborazioni fra azienda di settore, laboratori di ricerca e strutture universitarie, quali l’iMat – Centro Tecnologico della Costruzione e l’Università Politecnica della Catalogna. L’innova-zione, nell’azienda tradizionale, riguarda lo svilup-po sia di gamme di prodotti che di comsvilup-ponenti da prototipizzare (Fig. 14).
Nell’ibridazione fra tecnologia e design, si evi-denziano le potenzialità compositive del conglo-merato sottoposto ad azioni altamente deformative – come piegare, torcere, ridurre a lamine – e la ri-flessione sui mutamenti della cultura del costruire, con una trasposizione tipologica da altri materiali, come nel caso della panchina in cemento Con-struqta di David Karàsek prodotta da mmcité, che riproduce lo stilema della trave metallica Warren
(Fig. 15). Il gruppo Ceco si connota per un ap-proccio di ‘generative design’ sul mercato inter-nazionale per lo spazio pubblico, come struttura tecnica di intermediazione fra designer, ingegneri e architetti, in grado di trasformare le idee in pro-getti attraverso la proposizione di differenti alter-native di esecuzione.
Le esplorazioni della forma e del linguaggio determinano l’identità di brand, che si sviluppa in relazione a specifici temi di costruzione del micro-paesaggio locale, per accrescere la qualità dell’am-biente urbano. L’interfaccia integrato progettista-tecnologo-produttore prospetta un vantaggio com-petitivo per la capacità di gestire il processo di standardizzazione a piccola serie controllata. Es-senziale – nelle aziende catalane come Escofet e MagoUrban – è l’interazione con il design di arre-do urbano, involucro, barriere e pavimentazioni esterne per raggiungere un corporate-brand di sca-la internazionale. Fra i più recenti materiali cemen-tizi ultraperformanti, HERACLEX – brevettato dallo spin-off INNOVAcrete dell’Università Poli-tecnica delle Marche – si pone, invece, nella pro-spettiva di manufatti a minor costo di produzione e
Figg. 3, 4 - Monolith urban furniture benches in turin, made of concrete containing fine aggregates. on the left (area: corso Palermo), without superficial finishing: colour variation, patina and local staining, after 4 years operating life; on the right (area: via cigna), with superficial chromatic finishing: colour variation, patina in lower area, after 3 years operating life (credits: r. Maspoli, 2019).
di trasporto con maggiori prestazioni di eco-soste-nibilità degli inerti e di atossicità, aderendo sia alla filiera cosiddetta del ‘getto’ sia a quella del 3D printing (Corinaldesi, 2016).
La connotazione di processo delle filiere esa-minate riguarda sviluppo tecnologico, transfer, ser-vizio di supporto alla costruzione. La prima fase – propriamente industriale – concerne lo sviluppo della formulazione della miscela, la stima delle proprietà fisiche e meccaniche, la verifica di otti-mizzazione con prove di laboratorio, la specifica delle classi di resistenza richieste in riferimento al-le normative internazionali in itinere, la ricerca delle materie prime applicabili. La fase di trasferi-mento tecnologico, riguarda lo studio dell’applica-zione del processo nella struttura di produdell’applica-zione con serie di test diretti, adeguamento della formu-lazione alle condizioni di produzione e fornitura di un know-how dallo sviluppatore all’esecutore, ne-cessario al rilascio di garanzie di qualità e coerente alla formazione degli operatori. La terza fase, di service engineering, costituisce un necessario sup-porto per l’ottimizzazione, in funzione della plura-lità dei fattori che influenzano il dosaggio della mi-scela per l’applicazione nello stampo e la cassera-tura/scasseratura, consentendo di risolvere – attra-verso test e confronto di expertise – problemi di la-vorabilità e qualità delle superfici.
La catena di neoartigianato si esplicita con l’indirizzo di marketing strategy a settori di nic-chia, ma la prospettiva è di mass customization, in-teso come approccio produttivo-commerciale che si fonda sulla capacità di un processo integrato di offrire prodotti e servizi personalizzalizzati a costi confrontabili rispetto alla produzione standard. Il concetto di atelier tecnologico-digitale del cemen-to per la produzione on demand e a serie snella de-ve avvalersi di filiere di supply chain crescenti (Noche and Tarek, 2013). La domanda in Italia è ancora limitata, malgrado la presenza di una rile-vante tradizione artigiana – in evoluzione dalla ti-pologia tradizionale del cementista – e l’innova-zione tecnologica ha impatto inferiore rispetto ai mercati di Francia, Germania e Svizzera. In tali mercati, processi di produzione per getto di UHPC in impianti automatizzati e industrializzati sono già sperimentati per i pannelli di rivestimento dell’in-volucro, raggiungendo prezzi di fornitura competi-tivi rispetto alla pietra e altri materiali di alta gam-ma. Inoltre, facilità e velocità di installazione e tra-sportabilità possono ulteriormente contribuire al risparmio complessivo (Henry and Heaney, 2017).
L’altra configurazione emergente, lo sviluppo del maker 3D printing, non ha ancora altrettanto elevate caratteristiche, in relazione al dettaglio co-struttivo raggiungibile con UPC e UHPC. Il 3D ad-ditive manufacturing è utilizzato come sistema operativo crescente e parallelo. Nel caso di G.tecz, sono sviluppati parallelamente i processi di stampa diretta di precisione in 3D per piccoli oggetti e i processi con stampi in alluminio di altissimo detta-glio per manufatti di grandi dimensioni. In funzio-ne della tecnologia del funzio-negativo, si possono realiz-zare serie ripetute – migliorative rispetto agli stam-pi in polistirolo e polistirene – con temstam-pi e costi di esecuzione contenuti, per la limitazione delle opere di finitura. In alternativa, le matrici cosiddette ela-stiche – con stampi in elastomeri di poliuretano e silicone, come nella produzione di COPLAN – permettono di ottimizzare la capacità di riempi-mento degli spazi nel getto, accrescendo le possibi-lità architettoniche e la versatipossibi-lità applicativa, a partire dalla digitalizzazione di un modello tridi-mensionale in qualsiasi materiale.
conclusioni: prospettive delle catene del neoarti-gianato – Il tema del ‘generative design’ (che
attra-verso l’intelligenza artificiale può garantire altissi-me possibilità di progetto) riguarda le tecnologie di manifattura degli UHPC, con la possibilità di in-crementare il controllo prestazionale dei compo-nenti del mix design, istruendo il sistema con dati che riguardano i comportamenti nelle fasi di getto, stagionatura e posa. I vantaggi competitivi sono dati dalla possibilità di progettare, testare e produr-re elementi più leggeri, sottili e produr-resistenti, di mag-giore compatibilità ambientale, durabilità e manu-tenibilità, a costo competitivo nella catena produt-tiva e nel ciclo di vita. La ricerca evidenzia che i vantaggi per la sostenibilità ambientale e economi-ca sono in funzione della semplifieconomi-cazione della co-struzione monomateriale, dell’impiego di quantità inferiore di materiali, della alta riciclabilità – per l’assenza di resine, componenti metallici e aggres-sivi – e della riduzione dei cicli manutentivi, ma anche della performabilità attraverso la simulazio-ne digitale di forma e requisiti.
Le implementazioni delle filiere on-demand e di house-fabrik hanno aperto una nuova via per l’e-dilizia, basata sull’ottimizzazione produttiva, ma per cui è necessario migliorare la valutazione del comportamento nel tempo. La catena di creazione di valore del conglomerato prefabbricato che emerge è, quindi, caratterizzata dall’integrazione
delle fasi: dalla preparazione del mixed-design alla traduzione dell’idea progettuale nel digital engi-neering, al processo esecutivo e alla posa in opera. Lo studio evidenzia un nuovo, non trascurabile mercato del Made in Italy che richiama all’indu-stria creativa, alle tecnologie di produzione digita-lizzata e anche al recupero del saper fare, attraver-so la costruzione di network multifunzionali4. Tale
prospettiva comporta l’ibridazione di metodi di prefabbricazione e alta artigianalità, nella crescita del know-how condiviso di tecnologi, costruttori, designer, preparatori, esecutori, esperti di controllo di qualità e marketing.
eNGLIsH
concrete initially grew in popularity as a more re-sistant, ductile, cost-efficient, and standardisable substitute of stone. In the late-1980s, the availabil-ity of ultra-resistant and multi-performance mixes – Ultra High Performance concrete (UHPc) and Ultra High Performance Fibre reinforced con-crete (UHPFrc) – has set the basis for a renewed use of such mixes in non-traditional sectors or ones not strictly linked to load-bearing structures. the technological availability has also paved the way for non-standard design concepts and to that which Frédéric Migayrou (2004) and late-1900s neovanguardists predicted: mutations in forms that recalled natural elements, providing an evolving and dynamic architecture to overcome the strict in-dustrial standardization based upon the potential of generative algorithms.
the emergence of new compounds allowing non-reinforced operations or ones including mini-mal fibre reinforcements – such as ductal (Lafarge), sMArt-UP (Vicat), and bsI (eiffage) – has broken ground, in the past 20 years, for experimental methods which show similarities with the period of widespread innovation in reinforced concrete be-tween the 1930s and 1940s. the interaction with the ‘know-how’ of material culture, as well as tech-nological and formal innovation, had character-ized the design of extremely high-quality construc-tion, in a new definition of the relationship between economics and the standard (Iori and Poretti, 2012). such modern perspective was based upon an experimental attitude, a technical-practical knowledge, and a creative ability going beyond the science of classic construction, with the construc-tion of the model placed at centre stage. this was the case in innovation related to thin reinforced vaults, following both a morphological and a plas-tic approach, as in the great roofing of the Frontón recoletos in Madrid by eduardo torroja (1935) or the platform roof of the Aquila petrol station in sesto san Giovanni (Milan) by Aldo Favini (1949). Ultra High Performance compounds once again led to customizable batch production pro-cesses. the lack of multi-performancenature of UHPcs had already been debated internationally at the start of the 21st century (Fehling, bunje, and Leutbecher, 2004). the methodological ap-proach of this research refers to the perspective of executive and reliability optimization protocols, involving control of the surface aesthetics and re-sistance behaviour depending on environmental conditions. starting from the experimental project and construction management process adopted in the first-ever Italian UHPc public art works (Par-co Peccei Public Park, turin, 2015), the potential development in the country started taking form. In
Fig. 5 - Monolith urban furniture benches made of concrete containing fine aggregates and with superficial etching and waterproof finishing: colour variation, slight patina in lower area (operating life: 4 years); Parco Nervion, Abandoibarra, bilbao (credit: r. Maspoli, 2006).
Fig. 6 - Urban furniture benches made of concrete containing coarse aggregates and superficial chromatic finishing: local cracking, colour variation, extensive patina (operating life: 3 years); area: via ternengo, turin (credit: r. Maspoli, 2018).
particular, in the urban design field, we shall anal-yse the terms of the technological development, product supply capacity, performance quality and process innovation guarantee for a sustainable mar-ket, expressed in the Made in Italy ‘neo-handicraft’.
Multi-performance – UHPcs are known for their
high cement content (500 to 700 kg/m3in new
gen-eration mixes), their low water-to-cement ratio, their ultrafine granulometry (indicatively micro-fine aggregates with sizes varying from 2 to 20 μm, and an addition of synthetic amorphous micro-nano-silicas with sizes varying from 0.2 to 4 μm), and the eventual presence of polyvinyl (PVA), inor-ganic, or high-carbon metallic fibres (about 1.0%). Moreover, in new-generation UHPcs com-pressive strength diminishes (120-160 MPa) in proportion with an increase in compressive strength and young’s Modulus (> 80 GPa), limit-ing deformation through the production of an in-ternal, homogenously distributed pre-stress (cori-naldesi, 2016). the National Precast concrete As-sociation (2014) considers that compressive strength up to 200 MPa may be reached using high-carbon content reinforcement fibres, and up to 117 MPa may be reached using PVA, with a compressive strength up to 20 MPa, thus the pres-ence of reinforcement fibres is eliminated or mini-mized in architectural or design elements. A suit-able dosage and micromechanical behaviour also allow to obtain friction resistance, with high levels of deformation in punching shear testing.
Useful life is much longer, considering the ab-sence of pathologies related to the concrete cover following corrosive attack, delamination, and cracking. Furthermore, significant performance has been recorded in term of sustainability and en-vironmental efficiency due to a reduction in raw material and energy consumption in production (Harris, 2010). the nanometric structure of the ag-gregates allows a stronger bond of the particles in favour of surface area-to-volume ratio, minimizing empty spaces and permeability; oppositely, reac-tion to shrinkage, viscous deformareac-tion (creep), and plastic deformation over short-term aging tends to be higher (Quiroga and Fowler, 2004) and shall be controlled as a function of additivation and elastic-ity of the formworks. In operations related to out-side layer elements and urban furniture it is thus essential to use superfluidifying and anti-shrink-age additives.
Execution characterizations – An essential phase is
cement casting. the hydration temperature of the cement shall be maintained as low a possible, con-trolling the dosage of additives, water – in relation to temperature and humidity – and eventual pig-ments, in order to prevent inhomogeneity and the occurrence of thermal tension and cracking. the use of superfluidifying additives allows adjustment of the adherence and adaptability of the formworks even in case of a complex design, whilst the prelim-inary treatment of the moulds – made of styrofoam, polystyrene, or latex – in the tests performed (Fig. 1) turned out to be essential to obtain a uniform surface in terms of colour and grain size1. control
of rapid wet seasoning and adherence of the matri-ces in the demoulding phase avoids mixture sus-pension in water throughout the compacting and forming of superficial, localized honeycombs. Moreover, control of packaging and transportation
procedures is essential, in that superficial contam-ination may occur during exposure to water of a single area of the finished element, causing stains during the polymerization process (Henry and Heaney, 2017). once again, the crucial role of the executive expertise – complementary to technolog-ical research – emerges.
Appearance and reliability – Another potential
im-provement in reliability of the outdoor elements is provided by the addition of superficial protective layers, including coatings made of binding agents with crushed metal charges that further slowdown penetration of aggressive agents. Anti-carbona-tion, crack-proof, anti-stain, and anti-graffiti coat-ings applied, instead, post-pouring, usually re-quire repeated cycles – shorter than 10 years – of-ten implying unplanned mainof-tenance operations. two coating types were tested: waterproofing coat-ings applied by absorption – for the protection of surfaces subject to wear, without an aesthetic al-teration of the compound; and film-forming coat-ings aesthetically altering the superficial appear-ance of the material (glossy). It has been under-lined (Henry and Heaney, 2017; bader, waldner, Unterberger and Lacknerab, 2019) that due to the low penetration depth and low permeability of UH-Pc and HUH-Pc, behaviour over time does not vary by a substantial amount, allowing the extraction of calcium-soluble constituents from the hardened ce-ment paste, thus preventing the deposition of efflo-rescence and colour variations in the presence of pigments. the application of a titanium dioxide-based photocatalytic layer with self-cleaning and pollutant-reducing properties is also significant in terms of environmental life cycle optimization (UNI 11247:2010 Italian standard).
the ‘fair-face’ element is, mainly, a communi-cation tool in perceptive, visual, and tactile terms, the finishing – including dry grinding and surface pickling for the elimination of stains, scratches, and minimal residual unevenness – is a essential operation in terms of appearance (Fig. 2). over time, UHPc products tend to take on an appear-ance that is not distinguishable from stone materi-al, which calls to mind the historical vision by Nicholas Negroponte (1995) on the future indistin-guishability between natural and artificial. the aging process is similar to that undergone by stone with a high level of hardness and compactness, and is finally similar to aging in a natural context.
throughout a 4-year monitoring of public art and urban design elements – made of traditional concrete, coated or uncoated, and UHPc mixes – it has been recorded how UHPc suffered local soiling due to the effect of atmospheric agents and pollutants. this was mostly avoided through self-cleaning processes and a limited patina formation (Figg. 3, 4). Aging patina presented slight chro-matic alterations in limited areas, without the for-mation of efflorescence and surface cracking. In comparison, traditional concrete elements present a swifter formation of stains and chromatic alter-ations, as well as less abrasion and impact resis-tance2. In case of colour additives applied to the
paste, different colours present different perfor-mance in terms of UV-resistance and stability: dis-colouration caused by the action of UV rays and superficial carbonation appears to be limited for dark pigments – especially black and red, based on iron oxides (Figg. 5-11). the main criticality
recorded concerns the presence of graffiti due to vandalism, which require removal. Nevertheless, the extremely low porosity facilitates the removal with mechanical, powder-based graffiti remover – that may be used in the absence of highly complex artwork – or by means of high-pressure cleaning, which minimizes loss of the superficial layer.
this paper contributes to the related literature, which at the moment does not include significant research on the behaviour over time and treatment of outdoor elements in public spaces, which would instead have a relevant role in terms of reliability analysis upon determining market strategies.
Innovative potential of products and processes –
Innovative concrete mix-design by means of high-quality prefabrication processes allows the devel-opment of customer-oriented creative and manu-facturing processes. Implementations concern fa-çade coating and partition panels – flat, or even three-dimensional and mesh panels – as well as self-supporting urban design (benches, tables, bol-lards, barriers, etc.) and public art elements. the productions are denoted through shape optimiza-tion by means of 3shape scanner systems and cAd/cAM (computer Aided design & computer Aided Manufacturing) software, applied to the high-detail definition of matrices allowing ex-tremely precise performance. this study thus con-cerned the comparison between the main UHPc mix designs and the design and production supply chains existing on the international market.
ductal, patented in 1994 by Lafarge, is distin-guished by a continuous research related to ultra-thin natural mineral components and non-metal fi-bres in order to reduce the cement quantity com-pared to first-generation UHPcs. Its potential is given by the great mechanical properties, a greater resistance to abrasion compared to materials such
Fig. 7 - Urban furniture stools and tables made of self-compacting concrete and polished artificial stone: colour variation, local staining and graffiti (operating life: 4 years); Parco Mennea, turin (credit: r. Maspoli, 2019).
which is more advanced than the Italian market.3
Quantz, a product patented by G.tecz, is distin-guished by its environmentally sustainable opti-mization and by the configuration of UHPc mix al-so based upon local raw material – thus reduced costs and pollutant emissions – while achieving a compressive strength (175 MPa) worthy of its class. the new supply chain model – adopted most recently in Italy by the Italian Lab Uhpc – is de-signed to produce both coating systems and urban furniture, as well as technical industrial structures. the manufacturing process envisages – as a func-tion of the formworks utilized – chromatic versatil-ity, flexibility in terms of shape and thickness con-figuration – up to the claimed minimum thickness, 20 mm – and a superficial finish of the compound, with self-cleaning properties.
slimconcrete, a UHPc designed by escofet 1886 s.A., is yet another case of research and tech-nology transfer, with the cooperation between sec-tor-specific companies, research centres, and uni-versity structures, such as iMat – centre tecnolog-ic de la construcció and the Polytechntecnolog-ic Universi-ty of catalonia. In the traditional company, inno-vation concerns both the development of product ranges to be marketed and of components to be prototyped (Fig. 14).
the hybridization of technology and design initiates a reflection on the composition potential of the concrete, which undergoes highly deforming actions – such as bending, twisting, shrinkage to the sheet form – and on the mutations of the con-struction culture, with a typology inversion to dif-ferent materials, as in the construqta concrete bench designed by david Karásek and manufac-tured by mmcité, which references the stylistic fea-tures of the warren beam prototyped (Fig. 15). the czech group stands out for its ‘generative design’ approach within the international public space market, as a technical intermediation structure in-volving designers, engineers, and architects, who are able to turn ideas into designs by means of dif-ferent construction proposals.
Form and language explorations create a brand identity, which develops in relation to specif-ic topspecif-ics linked to construction within the local mi-cro-landscape context, in order to expand and im-prove the overall quality of the urban environment. the integrated designer-technologist-manufactur-er intdesigner-technologist-manufactur-erface presents a competitive advantage, due to the ability to manage the controlled small-batch standardization process. An essential factor – in
catalan companies such as escofet and Mago Ur-ban – is the interaction with urUr-ban furniture, façade panels, barriers, and outdoor flooring de-sign in order to become an internationally appeal-ing corporate brand. Among the most recently launched Ultra High Performance concrete prod-ucts, there is HerAcLeX – patented by the spin-off INNoVAcrete of the Marche Polytechnic Uni-versity – designed to achieve low production and transportation cost, with a greater ecological sus-tainability performance of the aggregates and non-toxicity, compliant with both the so-called ‘cast-ing’ supply chain and with 3d printing supply (corinaldesi, 2016).
the process connotation of the supply chains assessed concerns technological development, technology transfer and service engineering. the first phase – purely industrial – involves composi-tion of the mix, estimate of physical and mechani-cal properties, optimization checking through lab testing, specification of resistance classes required in accordance with current international stan-dards, and research of applicable raw material. the technology transfer phase involves the study of the process implementation within the manufactur-ing system by means of a series of direct product tests, adjustment of the composition to the manu-facturing conditions, and provision of know-how from the developer to the performer, crucial to the issuance of quality warrantees and coherent with operator training. the third phase – service engi-neering – represents a fundamental support to op-timization – as a function of the multiple factors af-fecting mix composition for casting in the mould as well as formwork/demoulding – allowing, by means of testing and combination of expertise, the solution of workability and final quality issues. the ‘neo-handicraft’ supply chain expresses it-self through a marketing strategy targeted towards ‘niche sectors’, but the long-term perspective is mass customization, namely the manufacturing-marketing approach based upon the ability of the integrated process to offer customized goods and services at competitive costs compared to standard production. the concept of technological/digital workshop for on-demand small-batch concrete production needs to avail itself of growing supply chains (Noche and tarek, 2013). demand in Italy is still limited – despite the existence of a strong handicraft tradition that is nonetheless evolving from the traditional figure of the cementer – and technology innovation has a minor impact com-pared to markets such as France, Germany, and switzerland. In such markets, UHPc casting pro-cesses in automated and industrialized facilities have already been experimented for façade panels, reaching competitive supply prices compared to stone and to other top-notch materials. Moreover, easy and speed installation and transportability may also contribute to overall cost saving (Henry and Heaney, 2017).
the other emerging configuration – the devel-opment of maker 3d printing – still does not have equally high-performance characteristics in terms of the construction detail achievable by means of UPc and UHPc. 3d additive manufacturing is used as a growing and parallel operating system. In the case of G.tecz, the company develops high-precision direct 3d printing processes for small objects and – at the same time – extremely detailed aluminium moulds for large, complex construc-as granite, an extremely low permeability to
ag-gressive external agents (water, particulates, and other forms of air pollution), and high ductility in the eventual post-cracking behaviour. ‘Molecular concrete’ is at the basis of Metalco’s Italian sup-ply/production chain in the urban design field; it produces thin-section open or closed profile ele-ments, such as the AIr bench boasting a 25-mm thickness (Fig. 12). the effectiveness and efficien-cy of its process is based upon the interaction be-tween research and manufacturing, with the inter-nalization of the entire technology cycle from mix-design to urban mix-design: manufacture of the moulds, component testing, engineering, casting and finishing. the company has also promoted de-velopment of Ultratense concrete, a mix design that may be defined as highly ductile and free-flow-ing, which facilitates performance and favours the addition of mineral-based pigments (Fig. 13).
I.design eFFIX by Italcementi-ciments calcia is, instead, a mortar with high mechanical and aes-thetic performance comparable to UHPc, includ-ing fibreglass alkali-resistant additives. the supply chain philosophy is based on ease of use: it is mar-keted as a dry pre-mixed compound with additives and aggregates, only requiring the addition of wa-ter. Its market development concerned customized batch production prototypes for urban furniture, such as the collection of tables and chairs Parabo-la, by Mac stopa, made for Italcementi/Archiform. dissimilarly, buzzi Unicem-dyckerhoff has developed two mixes with considerable potential for extension of the current industrial applica-tions to the architectural world. Flowstone is an impressively high-performance binder, made of eN 197-1 Portland cement (with aggregates hav-ing a sieve size ≤ 0,5 mm) that requires the pre-fabricator to perform a controlled addition of fluidifying, deaerating, and self-compacting ad-ditives as well as water. Nanodur is a silica-free UHPc, whose composition has allowed the ex-perimentation of ultra-thin load bearing ele-ments with a microfibre reinforcement (1.1% of the concrete volume) – reaching a 150 MPa val-ue in terms of compressive strength (Möllmann, 2011) – and whose properties have grown with the addition of a synthetic mineral aggregate called durigid (Maspoli, 2016). As well as tech-nical-logistics support in the supply phase, the manufacturer is currently assessing the potential development of an architectural pre-cast supply chain essentially restricted to the German market,
Fig. 8 - Flor, manufactured by escofet. Playground furniture made of self-compacting reinforced concrete with acid-etched waterproof finishing: colour variation, patina in lower area, staining, and local graffiti (operating life: 4 years); Parco Mennea, turin (credit: r. Maspoli, 2019).
Fig. 9 - Sicurta, manufactured by escofet. Urban furniture benches made of self-compacting thin-section reinforced con-crete, with waterproof finishing: colour variation, patina in lower area, local staining (operating life: 8 years); Parco bel-lisario, turin (credit: A. Aires, F. capitani, P. Mighetto and M. Minari, 2018).
tion. As a function of the technology used to make the negative, repeated batches – with a better out-come than styrofoam or polystyrene moulds – with limited manufacturing costs and a reduction in fin-ishing operations. Alternatively, the so-called elas-tic matrices – with moulds made of polyurethane and silicone elastomers, such as the ones used in production by coPLAN – allow an optimization of the ability to fill the spaces in the pouring process, thus increasing architectural possibilities and thus application versatility, first of all by digitalizing 3d models made of any material.
Conclusions: perspectives in the ‘neo-handicraft’ supply chains – the ‘generative design’ topic (that
by artificial intelligence may guarantee incredibly vast design opportunities) concerns UHPc manu-facturing technology, with the opportunity to in-crease control over component performance in the mix design process by instructing the system with data related to behaviour in the casting, aging, and laying phases. the competitive advantage is given by the possibility to design, test, and manufacture lighter, thinner, and more resistant elements with a greater environmental compatibility, durability, and maintainability, at a competitive cost through-out its supply chain and lifecycle. research high-lights how the advantages of environmental and economic sustainability are a function of the sim-plification offered by single-material construction or limited material use, high recyclability – due to the absence of resins, metal components, and ag-gressive agents – and the reduction in maintenance cycles, but also performability of shapes and re-quirements by means of digital simulation.
the implementations of on-demand and ‘house-fabrik’ supply chains have opened up a new chan-nel for construction based upon manufacturing op-timization, but for which it is necessary to improve assessment of behaviour over time. the emerging prefabrication compound value-addition process is thus distinguished by the integration of phases: from the preparation of the concrete mix design, to the translation of the design concept by means of digital engineering, to the executive process and the laying phase. this research paper pre-sents a new, significant ‘Made in Italy’ market based upon the creative industry, digitalized man-ufacturing, as well as reclamation of know-how, by means of developing multifunctional net-works4. such perspective implies a hybridization
of prefabrication methods and high-level handi-craft, along with the growth of know-how shared by technologists, builders, designers, mixers, op-erators, as well as quality assessment and mar-keting experts.
NOTES
1) Executive testing and experimentation have been car-ried out for the design and public art operations at Parco Peccei public park in Turin, through an agreement be-tween the Department of Architecture and Design at the Turin Polytechnic and the City of Turin (2015), in the context of Urban III Barriera di Milano, 2007-2013 Piedmont Region P.O.R.-F.E.S.R. (P.O.R. – regional op-erations program funded by the F.E.S.R. EU regional de-velopment fund). In cooperation with Buzzi Unicem. 2) The on-site monitoring phase concerned design and execution of contract work for the City of Turin, namely furnishing of public spaces, with the workgroup led by
F. Capitani and A. Aires (City of Turin, Urban Design Service).
3) In this scope, see the research project ‘Ultra-high per-formance concrete façades made of Nanodur – material properties and design’ in cooperation with TU Kaiser-slautern (2017), partially published in: Miccoli, L., Fontana, P., Qvaeschning, D., Kreft, O., Hoppe, J., and Meng, B. (2018), “UHPC–AAC façade elements: Struc-tural design, production technology, and mechanical be-havior”, in ce papers 2018 | IcAAc – 6th International
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Fig. 10 - Nanodur, urban furniture bench made of UHPc: colour variation, uniform patina, carbonation (operating life: 4 years); Parco Mennea, turin (credit: r. Maspoli, 2019).
Fig. 11 - Flowstone UHPc platform: slight local colour variation (operating life: 4 years); Parco Mennea, turin (credit: r. Maspoli, 2019).
Fig. 12 - Air, manufactured by MetALco. Urban furni-ture benches made of uncoated, extremely thin-section UHPc ductal (credit: Metalco).
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arosseLLAMAsPoLI, Architect and Phd, is Associate
Professor of Architectural technology at the depart-ment of Architecture and design at the turin Poly-technic, Italy. she performs research work in the his-torical architectural technology, industrial heritage and urban regeneration. tel. +39 (0)11/09.06.523. e-mail: rossella.maspoli@polito.it
Fig. 13 - Alba, manufactured by beLLItALIA. Urban furniture benches made of uncoated, extremely thin-section Ul-tratense UHPc (credit: beLLItALIA).
Fig. 14 - Odos, manufactured by escofet. Urban furniture table and chairs made of coated, extremely thin-section slimconcrete UHPc (credit: Adrià Goula sardà).
Fig. 15 - Construqta, manufactured by mmcité. Urban furniture benches made of uncoated, flat, webbed section slim-concrete UHPc (credit: mmcité).
Figg. 16-18 - Stanzes, La défense Urban Furniture biennial, manufactured by escofet: urban furniture structure made of self-compacting thin-section reinforced UHPc (credits: Jcdecaux, 2012; www.karmatrendz.wordpress.com/2012 /05/04/stanzes-by-la-ville-rayee/).
